Agencias/Ciudad de México.- Investigadores de la Universidad de Lehigh han descubierto que la arena puede fluir cuesta arriba, con aplicaciones, desde la atención sanitaria hasta el transporte de materiales y la agricultura.
Un vídeo correspondiente muestra lo que sucede cuando se aplica un torque y una fuerza de atracción a cada grano: los granos fluyen cuesta arriba, suben por las paredes y suben y bajan escaleras.
“Después de usar ecuaciones que describen el flujo de materiales granulares“, dice James Gilchrist, profesor de Ingeniería Química y Biomolecular y uno de los autores del artículo, “pudimos demostrar de manera concluyente que estas partículas se movían realmente como un material granular, excepto que fluían cuesta arriba”.
Los investigadores dicen que este descubrimiento muy inusual podría desbloquear muchas más líneas de investigación que podrían conducir a una amplia gama de aplicaciones, desde la atención sanitaria hasta el transporte de materiales y la agricultura.
El autor principal del artículo, el Dr. Samuel Wilson-Whitford, ex investigador postdoctoral asociado en el Laboratorio de Mezcla de Partículas y Autoorganización de Gilchrist, capturó el movimiento enteramente por casualidad en el curso de su investigación sobre la microencapsulación. Cuando hizo girar un imán debajo de un vial de partículas de polímero recubiertas de óxido de hierro llamados microrrodillos, los granos comenzaron a acumularse cuesta arriba.
Hot off the presses @SpringerNature in @NatureComms:
"Microrollers flow uphill as granular media".https://t.co/EhB5bPhcDH
Super proud of our group effort!
— James Gilchrist (@Gilchrist_Lab) September 20, 2023
Wilson-Whitford y Gilchrist comenzaron a estudiar cómo reaccionaba el material al imán en diferentes condiciones. Cuando vertieron los microrrodillos sin activarlos con el imán, estos fluyeron cuesta abajo. Pero cuando aplicaron torque usando los imanes, cada partícula comenzó a girar, creando dobletes temporales que rápidamente se formaron y rompieron. El resultado, dice Gilchrist, es una cohesión que genera un ángulo de reposo negativo debido a un coeficiente de fricción negativo.
“Hasta ahora nadie habría utilizado estos términos”, afirma. “No existían. Pero para entender cómo estos granos fluyen cuesta arriba, calculamos cuáles son las tensiones que hacen que se muevan en esa dirección. Si tienes un ángulo de reposo negativo, entonces debes tener cohesión para dar un ángulo de reposo negativo”. “Coeficiente de fricción. Estas ecuaciones de flujo granular nunca se derivaron para considerar estas cosas, pero después de calcularlas, lo que resultó es un coeficiente de fricción aparente que es negativo”.
El aumento de la fuerza magnética aumenta la cohesión, lo que da a los granos más tracción y la capacidad de moverse más rápido. El movimiento colectivo de todos esos granos y su capacidad para adherirse entre sí permite que una pila de partículas de arena esencialmente trabajen juntas para hacer cosas contrarias a la intuición, como subir paredes y subir escaleras. El equipo ahora está utilizando un cortador láser para construir pequeñas escaleras y está grabando vídeos del material ascendiendo por un lado y descendiendo por el otro. Un solo microrodillo no podría superar la altura de cada escalón, dice Gilchrist. Pero trabajando juntos, pueden hacerlo.
“Este primer artículo simplemente se centra en cómo el material fluye cuesta arriba, pero nuestros próximos artículos analizarán las aplicaciones, y parte de esa exploración es responder a la pregunta: ¿pueden estos microrrodillos escalar obstáculos? Y la respuesta es sí”.
Las aplicaciones potenciales podrían ser de gran alcance. Los microrrodillos podrían usarse para mezclar cosas, segregar materiales o mover objetos. Debido a que estos investigadores han descubierto una nueva forma de pensar sobre cómo las partículas esencialmente pululan y trabajan colectivamente, los usos futuros podrían ser en microrrobótica, que a su vez podría tener aplicaciones en el cuidado de la salud. Gilchrist presentó recientemente un artículo que explora su uso en el suelo como medio para suministrar nutrientes a través de un material poroso.
“Estamos estudiando estas partículas hasta el fondo”, dice, “experimentando con diferentes velocidades de rotación y diferentes cantidades de fuerza magnética para comprender mejor su movimiento colectivo. Básicamente, conozco los títulos de los próximos 14 artículos que publicaremos“.
En resumen, el comportamiento emergente observado al impartir torque a partículas individuales es el comportamiento granular como se espera en flujos impulsados por gravedad. Un conjunto giratorio de imanes imparte un par localizado que da como resultado la rotación de las partículas. Es importante destacar que esto sugiere que la tensión de respuesta a macroescala y la cinemática relacionada de una clase más amplia de sistemas de respuesta a escala granular podrían describirse utilizando los conocimientos ya obtenidos para los flujos impulsados por la gravedad.
Este control localizado del par a escala de partículas permite un conjunto sólido de controles experimentales de comportamiento granular que solo podrían considerarse en simulaciones en las que se podrían impartir fuerzas físicas ficticias al sistema. El coeficiente de fricción negativo que incluye la cohesión predice con precisión el ángulo de reposo negativo. Este resultado también arroja luz sobre la consideración más amplia de la tensión local frente a la no local en medios granulares.
